本发明专利技术公开了一种基于AlN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法，采用III-V族化合物半导体AlN作为衬底，通过对AlN衬底进行合理的预处理，调节生长压力，流量以及温度，在AlN上面直接生长石墨烯，无需金属作为催化剂，生长的石墨烯无需转移过程，便可以直接用于制造各种器件，提高了器件的电学特性，可靠性，降低了器件制造的复杂性。可以生长出具有半导体洁净度的大面积石墨烯材料，单层的可控性超过80％，圆片面积最大可以到8英寸。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体材料制造领域，涉及半导体材料制备的关键技术，特别是一种基于III-V族化合物半导体AlN衬底的大面积石墨烯可控外延生长方法，可用于无需转移的大面积圆片级石墨稀材料的制备。
技术介绍
随着集成电路的发展，目前硅(Si)基器件的关键尺寸已经达到理论和技术极限，量子效应已经成为主要限制机制。石墨烯材料是一种碳基二维晶体，是目前已知最轻最薄的材料，单层仅原子厚度，它具有极其优异的物理化学性质，比如极高的载流子迁移率(理论估计超过200000^1^^,是Si的数百倍)，超强的机械性能(杨氏模量约1000GP)，极高的比表面积和极好的气敏特性，极高的透明性和柔韧性，而且它与衬底不存在失配问题，可 以与Si基器件工艺完全兼容，具有突出的产业优势。因此，石墨烯的出现为产业界和科技界带来曙光，它是最被看好的替代Si成为下一代基础半导体材料的新材料。尽管石墨烯具有如此优异的性质，但是目前在石墨烯的制备方面仍然存在很多亟待解决的关键问题。目前国际上主流的晶圆级石墨烯生长方法是基于过渡金属催化的CVD法，可用于大面积石墨烯的制备，且不受衬底尺寸的限制，设备简单。一个最显著的缺点是必须使用金属催化衬底，因此很难将石墨烯清洁转移到其他适用于器件的介质衬底上，并且转移过程后残留在石墨烯上的残留物或污染物将降低石墨烯的迁移率，从而影响石墨烯器件的电学特性。因此，必须突破现有技术的限制，从工艺上大胆突破，探索新的衬底，实现无转移的大面积洁净石墨烯生长方法。氮化铝(AlN)是一种宽禁带(6. 2eV)半导体材料，具有直接带隙，可用于深紫外光电器件的制造，AlN基发光二极管的发光波长可达210nm。随着AlN薄膜异质外延生长技术日益成熟，AlN基超宽禁带异质结构HEMT器件得到了广泛的关注，可用于高温高压器件。外延AlN薄膜也具有很好的压电特性，可用于制备表面声学波传感器。除此以外，AlN还可以用于光电存储器的介质层，电子器件的衬底，高热导的芯片载体，用于移动通信的射频滤波器等等。总之，AlN是一种很有潜力的半导体材料。石墨烯为六方蜂窝结构，晶格常数为O. 246nm,纤锌矿AlN也为六方结构，晶格常数为O. 3112nm，二者的晶格失配较小，有效地减弱了石墨烯中的应变。AlN薄膜的表面极化光学声子能量为83. 60meV, 104. 96meV,能量较高，在室温下声子对石墨烯薄膜中载流子的散射作用较弱，可见基于AlN衬底的石墨烯具有很高的电学特性。为了将Al N与石墨烯结合起来，并且无石墨烯转移过程，以获得高质量大面积石墨烯材料，有必要研究在AlN衬底上直接进行石墨烯CVD外延生长。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有大面积石墨烯生长技术中的不足，提出一种基于AlN衬底的无需转移的大面积高质量石墨烯生长方法，以改善石墨烯及器件的电学特性。实现本专利技术的技术关键是采用III-V族化合物半导体AlN作为衬底，通过对AlN衬底进行合理的预处理，调节生长压力，流量以及温度，在AlN上面直接生长石墨烯，无需金属作为催化剂，生长的石墨烯无需转移过程，便可以直接用于制造各种器件，提高了器件的电学特性，可靠性，降低了器件制造的复杂性。其生长方法实现步骤包括如下(I)将AlN衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗,每次时间10_30min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气(99.9999% )吹干。(2)将AlN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10_5-10_6Torr，以去除反应室内的残留气体；(3)向反应室内通AH2进行衬底表面预处理，气体流量l_20sccm，反应室真空度O. Ι-lTorr，衬底温度 900-1000°C，处理时间 5-lOmin ； (4)向反应室中通入Ar和CH4，保持Ar和CH4的流量比为10 1-2 量 20-200sccm, CH4 流量 l-20sccm,气压维持在 O. 2-latm，温度 1000-1100°C，升温时间20-60min，保持时间 50_100min ；(5)自然降温到100°C以下，保持工序(3)中的Ar和CH4流量不变，气压O. 2-latm,完成石墨烯的生长。经过以上工序，可以生长出具有半导体洁净度的大面积石墨烯材料，单层的可控性超过80%，圆片面积最大可以到8英寸。本专利技术具有如下优点I.由于采用AlN作为衬底，生长的石墨烯无需转移便可以用于器件的制造，提高了器件的可靠性和电学特性。2.由于采用AlN作为衬底，简化了石墨烯生长步骤和器件制造工艺步骤，降低了石墨烯制造成本。附图说明图I是本专利技术的基于AlN衬底的石墨烯生长流程图；图2是本专利技术的基于AlN衬底的石墨烯生长过程结构示意图。具体实施例方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。参照图1，本专利技术给出如下实施例实施例I :本专利技术的实现步骤如下步骤I，AlN衬底准备。将AlN衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗,每次时间lOmin，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气(99.9999% )吹干。步骤2，反应室抽真空。将半导体器件级的AlN衬底置于化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10_6Torr，以去除反应室内的残留气体。步骤3，AlN衬底表面预处理。向反应室内通入H2进行衬底表面预处理，气体流量2sccm，反应室真空度O. ITorr，衬底温度950°C，处理时间5min。步骤4，石墨烯CVD外延生长。向反应室中通入Ar和CH4,保持Ar和CH4的流量比为10 1，Ar流量20sccm，CH4流量2sccm,气压维持在O. 5atm,温度1100°C,升温时间20min,保持时间80min。步骤5，冷却过程。 自然降温到100°C以下，保持工序(3)中的Ar和CH4流量不变，气压O. 5atm，完成石墨稀的生长。实施例2 本专利技术的实现步骤如下步骤A，AlN衬底准备。将AlN衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗,每次时间20min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气(99.9999% )吹干。步骤B，反应室抽真空。将半导体器件级的AlN衬底置于化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10_6Torr，以去除反应室内的残留气体。步骤C，AlN衬底表面预处理。向反应室内通入H2进行衬底表面预处理，气体流量5sccm，反应室真空度O. 2Torr，衬底温度950°C，处理时间lOmin。步骤D，石墨烯CVD外延生长。向反应室中通入Ar和CH4,保持Ar和CH4的流量比为8 1，Ar流量40sccm，CH4流量5sccm,气压维持在O. 2atm,温度1050°C,升温时间20min,保持时间80min。步骤E，冷却过程。自然降温到100°C以下，保持工序(3)中的Ar和CH4流量不变，气压O. 2atm，完成石墨稀的生长。实施例3 本专利技术的实现步骤如下步骤一，AlN衬底准备。将AlN衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗,每次时间30min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气(99.9999% )吹干。步骤二，反应室抽真空。将半导体器件级的AlN衬底置于化学气相淀积本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于AlN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法，其特征在于，采用III？V族化合物半导体AlN作为衬底，通过对AlN衬底进行合理的预处理，调节生长压力，流量以及温度，在A1N上面直接生长石墨烯，无需金属作为催化剂，生长的石墨烯直接用于制造各种器件。
【技术特征摘要】
1.一种基于AlN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法，其特征在于， 采用III-V族化合物半导体AlN作为衬底，通过对AlN衬底进行合理的预处理，调节生长压力，流量以及温度，在AlN上面直接生长石墨烯，无需金属作为催化剂，生长的石墨烯直接用于制造各种器件。2.如权利要求I所述的石墨烯CVD直接外延生长方法，其特征在于，其生长方法实现步骤包括如下 (1)将AlN衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗，每次时间10-30min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气吹干； (2)将AlN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10_5-10_6Torr，以去除反应室内的残留气体； (3)向反应室内通入H2进行衬底表面预处理； (4)向反应室中通入Ar和CH4； (5)自然降温，保持工序(3)中的Ar和QV流量不变，完成石墨烯的生长。3.如权利要求I所述的石墨...
【专利技术属性】
技术研发人员：王东，宁静，韩砀，闫景东，柴正，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。